出口越南的某臥式水輪發(fā)電機組，其單機容量為額定功率6750kW，額定轉(zhuǎn)速1000r/min。針對其單機容量、轉(zhuǎn)速高等特點，在簡要介紹轉(zhuǎn)子部件結(jié)構(gòu)特征的基礎(chǔ)上，重點通過對機組額定與飛逸工況下，發(fā)電機轉(zhuǎn)子橫截面結(jié)構(gòu)應力分析的實例，介紹了Pro/E模型的導入以及有限元分析方法，最后對計算結(jié)果進行分析總結(jié)。分析過程中實現(xiàn)了Pro/E建模和ANSYS的仿真相互集成，通過軟件各自的優(yōu)勢完成了模型建立和有限元分析。分析結(jié)果表明，主軸及磁極的結(jié)構(gòu)達到了設計要求，與傳統(tǒng)計算方法相比，其精度更能滿足工程要求，且效率高。

　　目前，在水電設備制造業(yè)中，大容量、高轉(zhuǎn)速臥式水輪發(fā)電機組的成功研制、開發(fā)，在國內(nèi)極為少見。越南水電站6750kW、1000r/min的水輪發(fā)電機組是我國出口的最大容量的臥式高速混流式水輪發(fā)電機組。為優(yōu)化機組結(jié)構(gòu)、提高效率，轉(zhuǎn)子部分采用主軸、磁軛整體鍛造，磁極采用鴿尾和斜鍵固定，以及兩軸承布置方式(水輪機與發(fā)電機共用一根主軸)。文獻研究表明了大容量、高轉(zhuǎn)速意味著，在相同的功率情況下，機組結(jié)構(gòu)緊湊，尺寸相對較小，機組成本低，經(jīng)濟效益顯著，備受廣大用戶歡迎。在中高水頭的水力資源開發(fā)中，高速臥式水輪發(fā)電機組是一種結(jié)構(gòu)簡單、性能優(yōu)良、安裝維護方便的機型。相對立式機組而言，它可降低廠房高度，減少電站開挖，降低電站投資;在安裝、使用、維修、保養(yǎng)上比立式機組方便。

　　隨著機組的大型化、高速化，臥式機組的主軸及磁極的結(jié)構(gòu)設計[3]成為整個項目開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)之一。文獻表明：發(fā)電機主軸及磁極受力非常復雜，以往大多數(shù)都是用公式進行計算。傳統(tǒng)的經(jīng)驗設計和模仿方法已經(jīng)不能滿足機組的設計精度。本文利用Pro/E建模和ANSYS進行有限元分析計算，在保證軸系剛度、軸系的臨界主速等滿足要求的條件下，采用了兩軸承布置方式，并模擬機組的受力特性，獲得了轉(zhuǎn)子橫截面的應力分布規(guī)律。該方法可以推廣到其它高速旋轉(zhuǎn)零部件的精確計算。

1、水輪發(fā)電機組主軸及磁極模型的建立

　　本文涉及的臥式發(fā)電機組轉(zhuǎn)子的主要外形尺寸如表1所示。

表1　轉(zhuǎn)子主要外形尺寸

　　發(fā)電機的轉(zhuǎn)子外緣在飛逸轉(zhuǎn)速時的單位質(zhì)量的離心力———離心力系數(shù)，它是衡量轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設計難易程度的一個指標。當離心力系數(shù)達到2000以上時，設計時對轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)應力必需特別加以關(guān)注。已知：

　　式中：Ck為飛逸轉(zhuǎn)速時轉(zhuǎn)子外緣的離心力系數(shù);

　　Nr為發(fā)電機的飛逸轉(zhuǎn)速，r/min;

　　Dr為發(fā)電機轉(zhuǎn)子外徑，cm。

　　該機組的飛逸轉(zhuǎn)速達到1720r/min，其離心力系數(shù)達到約4062，由此可見轉(zhuǎn)子的設計是機組的難點之一。通常轉(zhuǎn)速大于750r/min的機組，轉(zhuǎn)子采用主軸、磁軛和極身整鍛加工，其加工量大，周期長，精度要求高。按照目前的技術(shù)和原材料水平，通過對幾種方案的分析比較，最終確定主軸、磁軛整體鍛造，磁極采用鴿尾和斜鍵固定的結(jié)構(gòu)。三維實體模型如圖1所示。主軸與磁軛采用鍛鋼35CrMo整體鍛制，磁極沖片采用WDEL450，磁極壓板采用鍛鋼40CrNiMo鍛制。利用Pro/E建模軟件建立主軸及磁極的橫截面模型，并將不需要的細節(jié)盡量簡化，比如分析中不需要的倒角或圓角等，以保證模型的精簡，減少模型改變的可能性。橫截面模型如圖2所示。

圖1　機組主軸及磁極三維實體模型

圖2　機組轉(zhuǎn)子橫截面模型

4、結(jié)論

　　1)該兩支點臥式水輪發(fā)電機組轉(zhuǎn)子部分結(jié)構(gòu)簡單、性能優(yōu)良。相對立式機組而言，它可降低廠房高度，安裝、維護費用低，降低電站投資。

　　2)根據(jù)有限元計算的數(shù)據(jù)分析得出，額定及飛逸工況下，磁極應力安全系數(shù)分別為3.45和1.31;額定工況下主軸結(jié)構(gòu)安全系數(shù)為2.41;磁極外徑最大徑向變形為0.626mm。飛逸工況可運行次數(shù)為63210次。該發(fā)電機組的主軸及磁極結(jié)構(gòu)滿足實際使用要求。

　　3)介紹了利用ANSYS進行有限元分析的方法，能夠更好地利用已有的CAD圖形資源。與傳統(tǒng)計算方法相比節(jié)省了大量建模時間，且具有較好的計算精度。為相關(guān)產(chǎn)品的設計和研究提供了計算分析手段。